支持RF无线传输的pH传感器参考设计

作者：Erbe D. Reyta and Mark O. Ochoco

如果系统精度、效率和可靠性至关重要，则设计来自传感器节点的无线数据传输以进行远程监控是一项相当大的挑战。溶液的pH值是许多行业经常考虑的测量值之一，例如农业或医疗领域。本文的主要目的是评估pH玻璃探头的特性，以解决硬件和软件设计中的不同挑战，并提出使用射频收发器模块从探头进行无线数据传输的解决方案。

介绍

本文的第一部分介绍了pH探头，随后将探讨与前端信号调理电路相关的不同设计挑战，以及如何在数据转换中实现低成本、高精度和可靠性。作为提高数据处理准确性和精密度的方法，还将讨论校准技术，例如使用最小二乘法在分散预定义数据中进行近似的一般多项式拟合，以进行pH校准。本文的最后一部分提供了无线监控系统的参考电路设计。

了解pH电极

pH 值定义

水溶液可以低于酸性、碱性或中性水平。在化学中，这是通过称为pH的数字标度来衡量的，根据嘉士伯基金会的说法，它代表氢的功率。这个刻度是对数的，从 1 到 14。pH值可以用数学方式表示为pH = –log（H）。因此，如果氢离子浓度为1.0×10+–2摩尔/升，则 pH = –log（1.0 × 10–2） 给出的值为 2。像蒸馏水这样的水溶液的pH值为7，这是一个中性值。pH值低于7的溶液是酸性的，而pH值高于7的溶液被认为是碱性溶液。对数刻度给出了溶液与另一种溶液相比的酸度。

例如，pH 值为 5 的溶液的酸性是 pH 值为 6 的溶液的 10 倍，是 pH 值为 8 的溶液的 1000 倍。

pH指示剂

有许多方法可以测量水溶液的pH值。这可以通过石蕊纸指示剂或使用玻璃探头来完成。

石蕊试纸

石蕊纸指示剂通常由从地衣中提取的染料组成，用作pH值指示剂。一旦与溶液接触，纸张就会发生化学反应，导致颜色变化，指示pH值。该类别基本上包括两种方法：一种是将已知pH对应的标准颜色与使用缓冲溶液浸入测试液中的指示剂的颜色进行比较，另一种方法是制备浸泡在指示剂中的pH试纸，然后将纸浸入测试液中并比较其颜色与标准颜色。虽然上述两种方法易于实现，但它们容易因测试溶液中的温度和异物而产生误差。

pH玻璃探头

最常用的pH指示剂是pH探头。它由玻璃测量电极和参比电极组成。典型的玻璃探头由包裹氯化氢（HCl）溶液的薄玻璃膜组成。外壳内部是一根涂有AgCl的银线，它充当与HCL溶液接触的参比电极。玻璃膜外的氢离子通过玻璃膜扩散并置换相应数量的钠离子（Na+），这些钠离子通常存在于大多数玻璃中。这种正离子是微妙的，主要局限于膜任何一侧浓度较低的玻璃表面。来自Na+的过量电荷在传感器输出端产生电位电压。

探头类似于电池。当探头放置在溶液中时，测量电极根据溶液中的氢活度产生电压，该电压与参比电极的电位进行比较。随着溶液变得更酸性（pH值降低），与参比电极相比，玻璃电极的电位变得更正（+mV），当溶液变得更碱性（更高的pH值）时，与参比电极相比，玻璃电极的电位变得更负（−mV）。这两个电极之间的区别是测量电位。典型的pH探头在25°C时理想地产生59.154 mV/pH单位。 这通常由能斯特方程表示，如下所示：

哪里：

E = 活性
未知的氢电极电压 a = ±30 mV，零点公差
T = 25°C
时的环境温度 n = 1 在 25°C 时，价态（离子上的电荷数）
F = 96485 库仑/摩尔，法拉第常数 R = 8.314 伏库仑/°K 摩尔，阿伏伽德罗数

pH = 未知溶液
的氢离子浓度 p嘀嗒=7，参比氢离子浓度

该方程表明，产生的电压取决于溶液的酸度或碱度，并以已知方式随氢离子活性而变化。溶液温度的变化会改变其氢离子的活性。当溶液被加热时，氢离子移动得更快，这导致两个电极之间的电位差增加。此外，当溶液冷却时，氢活度降低导致电位差减小。理想情况下，电极设计为在放置在pH值为7的缓冲溶液中时产生零伏电位。

典型的pH电极具有如下表所示的规格：

测量范围	pH 0 至 pH 14
O V 时的酸碱度	酸碱度 7.00 ±0.25
准确性	pH 0.05，范围为 20°C 至 25°C
分辨率	pH 0.01 0.1 mV
工作温度	最高 80°C
反应时间	≤1秒，达到最终值的95%

pH探头在这项研究中起着重要作用，因为数据的可靠性将取决于传感器的准确性和稳定性。选择pH探头时要考虑的两个关键因素是温度变化后的稳定时间和缓冲溶液pH值变化后的稳定时间。例如，数据取自Jenway的应用笔记“Jenway高性能pH电极的评估”1探头在给定测试条件下在温度变化后测试其稳定性的性能。制备pH 7 @ 20°C和pH 4 @ 60°C缓冲液的液体溶液，并使每个电极在以200rpm搅拌的pH 7缓冲液中稳定。然后用去离子水冲洗电极并转移到pH 4缓冲液的等分试样中4分钟。再次用去离子水冲洗电极并返回pH 7缓冲液。然后评估读数保持稳定10秒所需的时间。对每个探针重复一式三份测试。

	通用pH电极	珍威 （35xx 系列 pH 探头）
1	77	36
2	77	33
3	49	34
意味 着	67.6667	34.3333

	通用pH电极	珍威 （35xx 系列 pH 探头）
1	29	21
2	31	26
3	38	21
意味 着	32.6667	22.6667

与通用pH探头相比，Jenway的性能在上述给定条件下的响应速度提高了50%。使用这样的仪器将大大减少分析数据所需的时间，因为它的样品通量很高。

传感器模拟信号调理电路

了解传感器探头的等效电气图非常重要，以便获得适当的信号调理电路。如上一节所述，pH探头由玻璃制成，可产生1 MΩ至1 GΩ的极高电阻，并与pH电压源串联电阻，如图1所示。

图1.pH探头等效电路配置。

即使是非常小的电路电流通过电路中每个元件的高电阻（尤其是测量电极的玻璃膜），也会在这些电阻上产生相对较大的压降，从而严重降低仪表看到的电压。更糟糕的是，测量电极产生的电压差非常小，在毫伏范围内（理想情况下，室温下每pH单位59.16毫伏）。用于此任务的仪表必须非常灵敏，并具有极高的输入电阻。

模数转换

对于这种类型的应用，考虑到传感器的响应时间，数据收集的采样率现在将成为一个问题。给定传感器分辨率为0.001 V rms，ADC满量程电压范围为1 V，无需高分辨率ADC即可实现9.96位的有效分辨率。无噪声分辨率以位为单位定义，公式为：无噪声分辨率 = log2[满量程输入电压范围/传感器峰峰值电压输出噪声]。ADC的采样速率可能是低功耗应用的一个重要因素，因为ADC的采样速率与其功耗直接相关。因此，考虑到传感器的响应时间，可以将典型的ADC采样速率设置为其最低吞吐量。集成ADC的微控制器可用于减少元件数量。

收发器

传输pH和温度数据需要收发器，控制收发器需要微控制器。选择收发器和微控制器涉及一些关键考虑因素。

选择收发器涉及必须考虑的几个因素：

工作频率

最大距离范围

数据速率

发 牌

工作频率

在设计RF传输时，工作频率（OF）必须确定sub-GHz或2.4 GHz频率是否能够满足应用要求。在需要高数据速率并使用蓝牙等宽带宽的应用中，2.4 GHz 频率是最佳选择。但是，当应用是工业应用时，将使用sub-GHz，因为可用的专有协议很容易提供网络的链路层。专有系统主要使用的sub-GHz范围内的ISM频率为433 MHz、868 MHz和915 MHz。

最大距离范围

Sub-1 GHz频率提供长距离能力，可以容纳高功率并达到25公里以上。当用于简单的点对点或星形拓扑时，这些频率可以有效地穿过墙壁和其他障碍。

数据速率

还需要确定数据速率，因为它会影响收发器的传输距离能力和功耗。较高的数据速率消耗较少的功率，可以在短距离内使用，而较低的数据速率消耗功率，可用于长距离传输。提高数据速率是改善功耗的好方法，因为它只会在短时间内从电池中吸收突发电流，但这也减少了无线电覆盖的距离。

收发器功耗

收发器功耗对于电池供电应用非常重要。这也是许多无线应用中的一个因素，因为它决定了数据速率和距离范围。收发器具有两个功率放大器 （PA） 选项，可实现更大的使用灵活性。单端PA可输出高达13 dBm的RF功率，差分PA可输出高达10 dBm的RF功率。为了便于说明，表4汇总了部分PA输出功率与收发器I的关系DD电流消耗。为了完整起见，还显示了接收模式电流消耗。

收发器状态 （868 MHz/915 MHz）	输出功率（分贝）	典型 IDD（毫安）
单端扩频器， 发射模式	–10 0 +10 +13	10.3 13.3 24.1 32.1
差分 PA， 发射模式	–10 0 +10	9.3 12 28
接收模式	-	12.8

发 牌

Sub-GHz 包括 433 MHz、868 MHz 和 915 MHz 的免许可 ISM 频段。它广泛用于工业领域，非常适合各种无线应用。它可以在世界不同地区使用，因为这符合欧洲 ETSI EN300-220 法规、北美 FCC 第 15 部分法规和其他类似的监管标准。

微控制器

如图2所示，RF系统的核心是一个处理器单元或微控制器（MCU），用于处理数据并运行软件堆栈，这些软件堆栈连接到用于RF传输的收发器和用于传感器测量的pH参考设计（RD）板。

图2.无线传感器数据采集和传输框图。

选择微控制器涉及必须考虑的几个因素：

外设

记忆

处理能力

功耗

外设

微控制器应与SPI总线等外设集成。收发器和pH参考设计板通过SPI连接，因此需要两个SPI外设。

记忆

微控制器具有相当数量的内存，是协议处理和传感器接口发生的地方。闪存和RAM是微控制器的两个非常关键的组件。为了确保系统不会耗尽空间，使用了 128 kB。这些无疑使应用程序和软件算法运行顺畅，这将为可能的升级和附加功能提供空间，从而使系统轻松无忧。

架构和处理能力

微处理器必须足够快，以处理复杂的计算和过程。系统使用32位微控制器。尽管较低位的处理器可能能够使用，但该系统选择使用 32 位来满足可能更高的应用程序和算法要求。

微处理器功耗

微控制器的功耗应非常低。电源对于那些必须运行多年而无需维修的电池供电的应用至关重要。

其他系统注意事项

错误检查

通信处理器在传输模式下将CRC添加到有效载荷中，然后在接收模式下检测CRC。有效载荷数据加上16位CRC可以使用曼彻斯特进行编码/解码。

成本

系统应使用最小的元件和电路板尺寸，因为当成本是关键要求之一时，这些通常是决定因素。必须考虑由MCU和无线设备组成的集成解决方案，而不是使用分立元件。这消除了无线电和MCU之间互连的设计挑战，从而简化了电路板设计，设计过程更直接，键合线更短，从而降低了对干扰的敏感性。通过使用结合基于 ARM Cortex- M 的 MCU 和无线电收发器的单芯片，可以减少电路板组件数量、电路板布局和总体成本。®®

校准

实现高精度的关键之一是执行校准程序。根据能斯特方程描述的pH溶液的一个特征是其对温度的高度依赖性。传感器探头仅提供恒定的偏移，可以假定该偏移在所有温度水平下都是恒定的。由于其对温度的高度依赖性，该系统需要一个确定溶液温度的传感器。

可以使用诸如使用能斯特方程的直接代换的方法，但由于它缺乏解的非理想性质，因此可能会表现出一定程度的误差。该方法只需要系统的偏移测量和未知溶液的温度读数。为了确定传感器引入的偏移，需要pH值为7的缓冲溶液。理想情况下，传感器应产生0 V的输出。ADC读数将是系统失调电压。典型pH探头传感器的失调可能高达±30 mV。

另一种方法，通常用于现场，是通过使用多个缓冲解来设置构建一般线性或非线性方程时的点。在此例程中，需要另外两种经过NIST认证和可追溯的pH缓冲溶液。另外两种缓冲溶液的pH值至少应相差2。

通过缓冲溶液进行校准的方式如下：

步骤1：从第一个缓冲液中取出电极组件并用去离子水或蒸馏水冲洗后，将带有温度传感器的pH探头浸入第二个选择的缓冲溶液中。

第 2 步：重复第 2 步，但使用第三种缓冲溶液。

第 3 步：使用所选缓冲溶液根据测量值制定方程式。

可以使用几个数学方程来推导出校准方程。常用的公式之一是使用点斜率形式的直线方程。该公式使用校准过程中的两个点：P1（Vm1，pH1）和P2（Vm2，pH2），其中P1和P2是使用所选缓冲液溶液测量的点。为了确定未知溶液的pH值，在给定的Px点（Vmx，pHx）下，可以使用简单的线性插值公式：

为了在给定多组点的情况下获得更高的精度，可以使用一阶线性回归。给定一组 n 个数据点 P0 （Vm0， pH0）， P1 （Vm1， pH1）， P2 （Vm2， pH2）， P3 （Vm3， pH3）， ...， Pn （Vmn， pHn）， 一般方程 pHx = a + b × Vmx，可以使用最小二乘法公式表示，其中 b 作为直线的斜率，a 是截距形式，其值为：

和

最小二乘近似方法可以扩展到更高的次数，例如二阶非线性方程。二阶的一般方程可以作为 pHx = a + b × Vmx + c × Vmx2。 a、b 和 c 的值可以按如下所示计算：

这些方程组可用于通过替换、消除或通过矩阵法求解给定的未知变量 a、b 和 c。

硬件设计解决方案

缓冲放大器

在这种给定条件下，需要一个具有高输入阻抗和极低输入偏置电流的缓冲放大器，以将电路与这种高源电阻隔离开来。低噪声运算放大器AD8603可用作此应用的缓冲放大器。AD8603的低输入电流使流过电极电阻的偏置电流产生的电压误差降至最低。对于200 fA的典型输入偏置电流，对于在25°C时具有1 GΩ串联电阻的pH探头，失调误差为0.2 mV （0.0037 pH）。 即使在最大输入偏置电流为1 pA时，误差也仅为1 mV。虽然不是必需的，但可以使用防护、屏蔽、高绝缘电阻支座和其他此类标准皮安方法来最大限度地减少所选缓冲器高阻抗输入端的泄漏。

模数转换器

低功耗ADC是该应用的有利转换器。这可通过16位Σ-Δ型ADCAD7792实现，适用于精密测量应用。它具有低噪声的3通道输入：当更新速率等于4.17 Hz时，噪声仅为40 nV rms。这些器件采用2.7 V至5.25 V电源供电，典型功耗为400 μA。该器件采用 16 引脚 TSSOP 封装。新增特性包括具有4 ppm/°C漂移（典型值）的内部带隙基准电压源、1 μA最大关断电流消耗以及用于减少元件数量和PCB空间的内部时钟振荡器。

选择射频收发器

根据上述要求，ADuCRF101最适合预期应用。

ADuCRF101是一款完全集成的数据采集解决方案，专为低功耗无线应用而设计。ADuCRF101的工作频率为431 MHz至464 MHz和862 MHz至928 MHz。它与通信外设集成在一起，如所需的两条SPI总线。片内提供128 kB非易失性闪存/EE存储器和16 kBSRAM。它是微控制器和收发器的单芯片解决方案，从而最大限度地减少了元件数量和电路板尺寸。

ADuCRF101直接采用电池供电，电源电压范围为2.2 V至3.3 V，功耗为：

280 nA，省电模式，非保留状态

1.9 μA，在省电模式下，保留处理器存储器和RF收发器存储器

210 μA/MHz，处于活动模式的 Cortex-M3 处理器

接收模式下为 12.8 mA 射频收发器，掉电模式下为 Cortex-M3 处理器

发射模式下为 9 mA 至 32 mA RF 收发器，掉电模式下为 Cortex-M3 处理器

软件实施

软件是无线传输系统的关键部分。它决定了系统的行为方式，并且还会影响系统的功耗。该系统有两个软件部分，即协议栈和应用程序栈。使用的协议栈是ADRadioNet，一种用于ISM频段的无线网络协议。它使用 IPv6 地址，并结合了此类解决方案中预期的大多数功能，即低功耗、多跳、端到端确认、自我修复等。应用堆栈是一种通过SPI访问pH参考设计板的软件。

为了有效地运行这两个软件堆栈，使用了一个简单的调度程序。非抢占式调度程序处理协议栈任务;它的功能被赋予特定的时间和特定的资源。但是，系统中定义的任务数量是有限的。为了高效运行，非抢占式调度程序必须在其时间流逝之前完成已定义任务的执行。对于系统中的两个堆栈，非抢占式调度程序非常适合，因为分配给它的已定义任务数量有限。

结论

本文介绍了pH无线传感器监测设计方面的不同挑战和解决方案。研究表明，ADI数据采集产品基本上可用于解决pH测量的不同挑战。运算放大器AD8603或任何具有高输入阻抗的等效ADI放大器可用于抵消传感器的高输出阻抗，从而提供足够的屏蔽以防止系统负载。ADuCRF101数据采集系统IC可以为RF数据传输提供完整的解决方案。数据采集的精度可以通过使用精密放大器和ADC在硬件中实现，也可以通过使用数理统计在软件中进行校准来实现，以制定一般方程，例如不同的曲线拟合方法。

审核编辑：郭婷